先進高強鋼因其優(yōu)異的綜合性能在汽車工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。雙相鋼作為第一代先進高強鋼的代表之一,兼具高強度和良好的成形性,是汽車制造中應(yīng)用最廣泛的先進高強鋼。雙相鋼的工業(yè)生產(chǎn)以連續(xù)退火工藝為主,其熱處理過程伴隨著一系列復(fù)雜的物理冶金現(xiàn)象,如鐵素體再結(jié)晶、滲碳體球化、奧氏體化轉(zhuǎn)變以及奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變等。這些物理冶金現(xiàn)象相繼或同時發(fā)生,彼此之間可能存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系。上述轉(zhuǎn)變過程的微小變化可能導(dǎo)致最終獲得的雙相鋼微觀組織發(fā)生顯著改變,而材料的微觀組織結(jié)構(gòu)是決定其宏觀力學(xué)性能的主要因素,因此,研究雙相鋼連續(xù)退火過程中微觀組織的演變行為,對材料成分設(shè)計以及加工工藝制定與優(yōu)化具有十分重要的意義。本文主要從介觀尺度對冷軋雙相鋼連續(xù)退火過程中發(fā)生的相關(guān)物理冶金現(xiàn)象進行建模與模擬,并最終實現(xiàn)冷軋雙相鋼連續(xù)退火全流程的微觀組織演變模擬與組織預(yù)報。本文首先建立了一種數(shù)字化材料表示(DMR)算法,以實現(xiàn)基于真實微觀組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的材料微結(jié)構(gòu)幾何模型自動化建立,并在該算法的基礎(chǔ)上通過晶體塑性有限元方法(CPFEM)對雙相鋼微結(jié)構(gòu)模型在虛擬拉伸條件下的組織變形進行了模擬研究。DMR算法以圖像分析處理以及元胞自動機(CA)晶粒生長算法為基礎(chǔ),能夠?qū)Σ牧辖M織金相圖片和EBSD數(shù)據(jù)中的微觀組織特征進行自動識別與處理,從而實現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)幾何模型的自動化建立。由DMR算法建立的材料微結(jié)構(gòu)模型能夠真實反映微觀組織組成相以及晶粒間的幾何拓撲關(guān)系和晶粒取向信息,從而為后續(xù)變形和退火過程中的微觀組織演變模擬提供了可靠的初始組織模型數(shù)據(jù)支持。雙相鋼微結(jié)構(gòu)拉伸變形的CPFEM模擬結(jié)果表明,雙相多晶組織變形在介觀尺度是極不均勻的。由于組織組成相以及晶粒之間的性能差異,變形組織內(nèi)將產(chǎn)生非均勻分布的應(yīng)力和應(yīng)變場,同時單個鐵素體晶粒以及馬氏體島內(nèi)部也存在明顯的應(yīng)力和應(yīng)變梯度。模擬得出的應(yīng)變帶分布、應(yīng)變集中位置以及整體應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實驗結(jié)果基本相符,從而驗證了DMR-CPFEM模型的有效性以及模擬結(jié)果的準確性。為了研究雙相鋼組織變形不均勻性對退火過程中鐵素體再結(jié)晶組織演變的影響,本文建立了CPFEM-CA耦合模型對再結(jié)晶過程的微觀組織演變進行模擬。雙相鋼冷軋后變形組織的幾何拓撲結(jié)構(gòu)、晶粒取向以及變形儲能分布由CPFEM模擬得出,并通過近鄰映射算法映射至元胞自動機模型的求解域中作為再結(jié)晶組織演變模擬的初始條件。模擬結(jié)果表明,退火過程中鐵素體再結(jié)晶的晶粒形核與生長行為和雙相鋼軋制后產(chǎn)生的組織變形不均勻性緊密相關(guān)。再結(jié)晶晶粒優(yōu)先在鐵素體基體內(nèi)變形儲能較高的區(qū)域形核生長,從而使得最終的再結(jié)晶組織在形貌和晶粒尺寸分布上均呈現(xiàn)明顯的非均勻特性。模擬得到的鐵素體再結(jié)晶轉(zhuǎn)變動力學(xué)以及微觀組織形貌特征與實驗結(jié)果基本相符。退火過程中奧氏體在珠光體組織內(nèi)形成的同時伴隨著鐵素體和滲碳體溶解。本文在滲碳體片層尺度分別針對單片層理想珠光體結(jié)構(gòu)以及珠光體團簇結(jié)構(gòu)在奧氏體化過程中發(fā)生的界面遷移行為進行了精細模擬。對于單片層理想珠光體結(jié)構(gòu),奧氏體向珠光體片層生長過程中,其界面遷移在Gibbs-Thomson效應(yīng)的作用下將由開始階段的瞬態(tài)模式逐漸向穩(wěn)態(tài)模式過渡。由于奧氏體界面前沿的碳濃度差異,奧氏體在生長過程中將形成波浪形界面,并在穩(wěn)態(tài)模式下以恒定的生長速度與界面形狀向鐵素體和滲碳體片層推進。對于珠光體團簇結(jié)構(gòu),退火過程中滲碳體片層各處的溶解速度在界面曲率的作用下存在差異。隨著滲碳體溶解,其周圍鐵素體和奧氏體內(nèi)將形成非均勻分布的碳濃度場,并在Gibbs-Thomson效應(yīng)的作用下促使?jié)B碳體發(fā)生球化。同時,在珠光體團簇結(jié)構(gòu)以及滲碳體球化的影響下,奧氏體化過程中奧氏體界面遷移始終以瞬態(tài)模式進行,其界面形狀和遷移速度隨著界面位置和時間的改變而動態(tài)變化。最后,本文采用CPFEM-CA耦合模型對冷軋雙相鋼臨界區(qū)退火過程的微觀組織演變進行了模擬,包括鐵素體再結(jié)晶、奧氏體化轉(zhuǎn)變以及奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變。其中,元胞自動機模型采用了一種雙尺度元胞對珠光體團簇內(nèi)的鐵素體和滲碳體結(jié)構(gòu)進行描述,以實現(xiàn)滲碳體溶解過程中碳元素的轉(zhuǎn)移與擴散模擬。模擬結(jié)果動態(tài)揭示了冷軋雙相鋼臨界區(qū)退火過程中鐵素體再結(jié)晶和奧氏體化轉(zhuǎn)變相互作用下的微觀組織演變動力學(xué)與形貌特征。鐵素體/珠光體組織的奧氏體化轉(zhuǎn)變以先快后慢的兩階段形式進行,分別對應(yīng)珠光體-奧氏體轉(zhuǎn)變以及鐵素體-奧氏體轉(zhuǎn)變。奧氏體在鐵素體-鐵素體晶界形核和生長過程中與鐵素體再結(jié)晶發(fā)生相互作用,并隨著再結(jié)晶的進行最終演變?yōu)轫楁湢罘植嫉木Ы鐘W氏體以及顆粒狀分布的晶內(nèi)奧氏體。加熱速度和退火溫度決定了鐵素體再結(jié)晶和奧氏體化轉(zhuǎn)變的相互作用程度,進而對最終的微觀組織形貌產(chǎn)生顯著影響。CPFEM-CA耦合模型較好地預(yù)測了冷軋雙相鋼在模擬的工業(yè)連續(xù)退火流程下的微觀組織演變動力學(xué)與形貌特征,模擬結(jié)果與實驗測定的轉(zhuǎn)變動力學(xué)數(shù)據(jù)以及組織金相特征基本相符。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG142.1

【參考文獻】

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本文編號：2820152